KR101552494B1 - 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1차 열교환을 통해 생성된 중온수의 일부분을 인출하여 열원을 예열시킨 후 부하입구로 재순환시킴으로써, 난방시 열원의 온도를 높이는 동시에 부하입구의 온도를 낮춰서 대온도차 공조방식을 도모할 수 있는 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 제2 열교환기에서 1차 열교환된 순환수의 일부분을 열원과 열교환시켜 열원의 온도를 보상함으로써 열효율을 향상시킬 수 있으며, 이와 동시에 열원과 열교환된 순환수를 다시 부하입구로 재공급하여 입수온도를 낮춤으로써 대온도차에 의한 운전효율을 향상시킬 수 있다.

Description

열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템{LARGE TEMPERATURE DIFFERENTIAL HEATPUMP SYSTEM WITH COMPENSATED HEATSOURCE}

본 발명은 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1차 열교환을 통해 생성된 중온수의 일부분을 인출하여 열원을 예열시킨 후 부하입구로 재순환시킴으로써, 난방시 열원의 온도를 높이는 동시에 부하입구의 온도를 낮춰서 대온도차 공조방식을 도모할 수 있는 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 열원을 통해 열매체의 냉동사이클을 구성하고, 순환수를 열매체와 열교환시킴으로써 난방이나 냉방을 제공하는 장치로서, 구동방식에 따라 전기식과 엔진식 등으로 구분되고, 열원에 따라 공기열원식, 수열원식(폐열원식), 지열원식 등으로 분류된다.

통상적인 히트펌프는 도 1에 도시된 바와 같이 증발기(1), 압축기(2), 응축기(3a)(3b), 팽창밸브(4)로 구성되어 냉동사이클을 이루는 열매체라인(5)이 구성되고, 응축기(3a)(3b)의 응축열을 통해 순환수를 열교환시켜서 축열탱크(6)에 저장하여 공급하고, 회수되는 순환수를 다시 응축기(3a)(3b)로 열교환시켜 순환시키는 순환수라인(7)으로 구성된다.

난방을 예를 들어 구체적으로 설명하면, 종래의 히트펌프는 증발기(1)를 통해 열원과 열매체를 열교환시켜 열매체를 기화시킨 후 압축기(2)로 압축하여 응축기(3a)(3b)로 공급함으로써, 응축에 의해 발생하는 응축열을 순환수에 전달하여 고온의 난방수를 축열탱크(6)에 공급한다.

여기서, 종래의 히트펌프는 회수되는 순환수의 원활한 열교환을 통한 급탕공급을 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 응축기(3a)(3b)를 복수 구성함으로써 순환수를 예열하고 있다.

이에 더하여, 기존의 히트펌프는 축열탱크(6)와 응축기(3b)의 사이에 버퍼탱크(8)를 설치하여 축열탱크(6)에서 배출되는 물과 순환수라인(7)으로 회수되는 순환수를 열교환시켜서 순환수를 예열하고 있다.

한편, 근래의 히트펌프 시스템은 펌프나 송풍기 동력 절감 및 신속한 냉난방을 위하여 입수온도와 출수온도 차이를 크게 하는 대온도차 방식을 적용하고 있다.

이와 같은 대온도차 방식을 위해서는 입수온도를 낮춰야만 히트펌프의 효율적인 작동을 도모할 수 있다. 왜냐하면 입수온도가 높을 경우에는 유체의 압력이 증가함에 따라 히트펌프 시스템 전체의 작동효율을 저하시키기 때문이다.

그런데, 기존의 히트펌프 시스템은 가동시간이 경과할수록 입수온도가 상승하기 때문에 지속적인 운전이 어려운 문제점이 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이 지열을 열원(1a)으로 하는 지열 히트펌프의 경우에는 동절기에 난방을 위한 지열이 너무 낮게 형성되고, 하절기에는 냉방을 위한 지열이 너무 높게 형성되어 장비효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라, 동절기에 열원을 예열하여 열효율을 향상시키는 동시에 입수온도를 낮춰서 장비의 운전시간을 지속시킬 수 있는 히트펌프 시스템이 요구되고 있다.

한편, 종래의 히트펌프는 축열탱크(6)와 함께 버퍼탱크(8)가 설치되어야 하므로 구조가 복잡하고, 설치공간에 제약이 따르는 문제점이 있고, 응축기(3a)(3b)들의 멀티열교환을 통해 고온수만을 공급하는 한계도 있다.

다른 한편, 본 발명에 관련된 선행기술로써 대한민국 등록특허공보 제10-1280113호에 제안된 '중온수 배출라인을 갖는 2원 압축 히트펌프 시스템'이 있다.

이러한 선행기술은 중온수 배출라인이 구비되어 중온수를 사용할 수 있다는 장점이 있으나, 열원의 온도를 예열하면서 입수온도를 낮출 수 있는 구성이 결여되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1280113호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 순환수를 1차 및 2차로 다중으로 열교환시켜 열효율을 향상시킴과 아울러, 1차 열교환을 통해 생성된 중온수를 인출하여 열원을 예열시킨 후 부하입구로 재순환시킴으로써, 난방시 열원의 온도를 높여 열효율을 향상시키는 동시에 부하입구의 온도를 낮춤으로써 지속적인 운전을 도모할 수 있는 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템은, 난방 또는 냉방을 위한 순환수를 열매체와 열교환시켜서 순환수를 가열하거나 냉각하는 히트펌프 시스템으로서, 사용처에서 냉난방에 사용된 순환수를 부하입구로 유입하여 열매체와 열교환시키고, 열교환된 순환수를 부하출구로 배출하면서 순환수를 순환시키는 순환수라인; 상기 열매체를 난방이나 냉방에 따라 서로 다른 방향으로 순환시키면서 냉동사이클을 이루는 열매체라인; 상기 열매체라인의 일부분을 이루면서 열매체를 열원과 열교환시켜서 가열하거나 냉각하는 열원부; 상기 열매체라인 및 상기 순환수라인에 연결되어 난방시 상기 열원부에서 공급되는 고온의 열매체를 상기 순환수라인의 순환수와 대항류상태로 열교환시키면서 난방수를 상기 순환수라인의 부하출구측으로 공급하고, 냉방시 상기 열원부에서 공급되는 저온의 열매체를 상기 순환수라인의 순환수와 평행류상태로 열교환시키면서 냉방수를 상기 순환수라인의 부하출구측으로 공급하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 연결되어 열매체를 상기 순환수라인의 부하입구측에서 유입되는 순환수와 열교환시켜 순환수를 예열이나 예냉시키면서 예열/예냉된 중온수를 상기 제1 열교환기로 공급하는 제2 열교환기; 상기 순환수라인에 설치되어 순환수를 펌핑하여 순환시키면서 순환수의 유량을 제어하는 순환펌프; 상기 열원부로 열원을 공급하고, 상기 열원부에서 열교환이 완료된 열원을 회수하면서 순환시키는 열원라인; 및 상기 제2 열교환기에서 배출되는 중온수의 적어도 일부분을 상기 순환수라인에서 인출시켜 상기 순환수라인의 부하입구측으로 재순환시키고, 재순환하는 중온수를 상기 열원부로 공급되는 열원과 열교환시켜서 상기 열원라인의 열원온도를 보상하는 열원보상부;를 포함하고, 상기 열원보상부는, 상기 제2 열교환기와 상기 제1 열교환기를 연결하는 상기 순환수라인에 일단부가 결합된 상태로 상기 열원라인을 향해 연장되고, 상기 순환수라인의 부하입구에 타단부가 연결되어 순환루프를 이루는 중온수라인; 상기 중온수라인을 통해 상기 순환수라인의 부하입구로 재순환하는 중온수의 유량을 제어하는 유량조절기; 및 상기 중온수라인 및 상기 열원라인에 연결되고, 상기 열원부로 공급되기 이전의 열원을 상기 중온수라인의 중온수와 대항류상태로 열교환시키면서 열원의 온도를 보상하는 제3 열교환기;를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 유량조절기는, 상기 중온수라인에 개폐가능하게 설치되어 상기 중온수라인의 개도를 제어하면서 중온수의 유량을 조절하는 유량조절밸브;를 포함하여 구성될 수 있다.

또, 상기 열원보상부는, 상기 제3 열교환기를 배제한 상태로 상기 중온수라인을 소통시키면서 중온수를 상기 순환수라인의 부하입구로 바이패스시키는 중온수회수라인; 및 상기 중온수회수라인에 설치되어 상기 순환수라인으로 회수되는 중온수의 유량을 제어하는 회수유량조절기;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명은, 상기 순환수라인의 부하출구측에 연결되어 상기 제1 열교환기에서 배출되는 난방수 또는 냉방수를 저장하고, 상기 순환수라인의 부하입구측과 연결되는 축열탱크; 및 상기 축열탱크에 저장된 난방수 또는 냉방수를 사용처로 순환시키는 추가순환펌프;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기와 같은 해결수단에 의한 본 발명에 따른 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템은, 제2 열교환기에서 1차 열교환된 순환수의 일부분을 열원과 열교환시켜 열원의 온도를 예열함으로써 열효율을 향상시킬 수 있으며, 이와 동시에 열원과 열교환된 순환수를 다시 부하입구로 재공급하여 입수온도를 낮춤으로써 대온도차에 의한 운전효율을 향상시키고 히트펌프의 운전시간을 지속시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 제2 열교환기에서 열교환된 중온수를 다시 제1 열교환기에서 열교환하여 고온수를 생성하므로 버퍼탱크와 같은 구성이 없이도 고온의 급탕을 원활하게 제공할 수 있으며, 설치에 따른 제약이 감소하여 기존 시스템에 용이하게 적용할 수 있다.

또, 본 발명은 제3 열교환기로 공급되기 이전의 중온수를 중온수회수라인 및 회수유량조절기를 통해 순환수라인으로 회수시킬 경우에는 부하입구의 입수온도를 상승하도록 조절할 수 있다.

도 1은 통상적인 히트펌프를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 열원 보상부의 다른 실시예를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 구성도.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 순환수라인(100), 열매체라인(200), 열원부(210), 제1 열교환기(300), 제2 열교환기(400), 순환펌프(110), 열원라인(215) 및 열원보상부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

순환수라인(100)은 난방이나 냉방을 위한 순환수를 실내로 공급 및 회수하여 순환시키는 구성요소이다.

이러한 순환수라인(100)은 후술되는 열교환기(300)(400)를 통한 열매체라인(200)과의 열교환을 통해 난방을 위한 난방수나 급탕수 또는 냉방을 위한 냉방수를 부하출구(100a)를 통해 팬코일유닛(FCU)과 같은 사용처로 공급하고, 사용처에서 냉난방에 사용된 순환수를 부하입구(100b)로 회수하여 다시 열교환시키면서 순환시킨다.

한편, 순환수라인(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 난방수 또는 냉방수를 저장하는 축열탱크(600)가 설치되어 축열탱크(600)를 매개로 순환수를 순환시킬 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 축열탱크(600)가 생략된 직수형으로 구성될 수도 있다.

열매체라인(200)은 열매체를 순환시키면서 증발, 압축, 응축, 팽창을 통해 냉동사이클을 이루는 구성요소이다.

구체적으로, 열매체라인(200)은 열매체의 응축열을 통해 순환수를 열교환시켜서 난방수를 제공하거나 열매체의 증발열을 통해 순환수를 열교환시켜서 냉방수를 제공하는 구성요소이다.

이러한 열매체라인(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 후술되는 열원부(210)를 통해 열매체를 증발시키거나 응축시키고, 압축기(220)를 통해 열매체를 고압으로 압축하며, 후술되는 열교환기들(300)(400)을 통해 열매체를 응축시키거나 증발시키면서 순환수를 가열하거나 냉각하고, 팽창밸브(230)를 통해 열매체를 저압으로 팽창시켜서 열원부(210)로 순환시킨다.

즉, 열매체라인(200)은 난방시에 도 2에 도시된 바와 같이 열매체를 열원부(210)에서 압축기(220) 방향으로 순환시켜서 열교환기들(300)(400)을 통한 응축열을 통해 순환수를 가열하고, 냉방시에는 열매체를 열원부(210)에서 팽창밸브(230) 방향으로 순환시켜서 열교환기들(300)(400)을 통한 증발열을 통해 순환수를 냉각시킨다.

여기서, 열매체라인(200)은 미도시된 컨트롤러의 제어에 의해 열매체의 순환방향을 전환시키면서 난방모드 또는 냉방모드로 작동한다.

한편, 열매체라인(200)은 열매체로서 본 발명이 속하는 분야에 통상적으로 사용되는 열매가 사용될 수 있다.

열원부(210)는 전술한 바와 같이 열매체라인(200)의 일부분을 형성하면서 열매체를 열원라인(215)의 열원과 열교환시켜서 가열하거나 냉각하는 구성요소이다.

즉, 열원부(210)는 순환수의 난방시에 냉동사이클의 증발기 역할을 하며, 순환수의 냉방시에 응축기 역할을 수행하면서 열매체를 열원과 열교환시킨다.

여기서, 열원라인(215)을 통해 열원부(210)에 제공되는 열원의 종류는 한정하지 않으며, 예컨대 지열원이나 수열원 또는 공기열원과 같이 본 발명이 속하는 분야에 널리 알려진 임의의 구성이 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 설명에서는 도면에 도시된 바와 같이 열원라인(215)이 지중열교환기에 연결되어 지열을 이용하는 것을 실시예로 설명한다.

제1 열교환기(300)는 열매체라인(200) 및 순환수라인(100)에 각각 연결되어 열매체와 순환수를 열교환시키면서 열교환된 난방수 또는 냉방수를 순환수라인(100)의 부하출구측(100a)으로 공급하는 구성요소이다.

즉, 제1 열교환기(300)는 난방시 열원부(210)에서 공급되는 고온의 열매체를 순환수와 대항류 상태로 열교환시킴으로써 고온의 난방수나 급탕수를 부하출구측(100a)으로 공급하며, 냉방시 열원부(210)에서 공급되는 저온의 열매체를 순환수와 평행류 상태로 열교환시킴으로서 저온의 냉방수를 부하출구측(100a)으로 공급한다.

이러한 제1 열교환기(300)는 예컨대, 복수의 전열판으로 이루어지는 판형 열교환기로 구성될 수 있다.

판형 열교환기는 알려진 바와 같이 표면이 파형으로 형성된 전열판들을 적층하여 이루어지면서 전열판들의 사이에 개재되는 가스켓을 통해 전열판을 중심으로 양측에 열매체유로 및 순환수유로가 형성되며, 열매체라인의 열매체와 순환수라인의 순환수를 전열판을 중심으로 교차상태로 열접촉시킨다.

이러한 판형 열교환기에 대한 세부구성은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 더 이상의 설명을 생략한다.

제2 열교환기(400)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1 열교환기(300)와 이웃하는 상태로 배치되어 순환수를 예열시키는 구성요소이다.

즉, 제2 열교환기(400)는 제1 열교환기(300)에서 열교환된 열매체를 순환수라인(100)의 부하입구측(100a)에서 회수되는 순환수와 열교환시킴으로써 회수된 순환수를 예열 또는 예냉하여 중온수를 생성시키면서 제1 열교환기(300)로 공급한다.

이에 따라, 순환라인(100)의 순환수는 제2 열교환기(400)를 통해 먼저 열교환된 후, 제1 열교환기(300)를 통해 다시 열교환됨에 따라 충분한 열교환이 가능하므로 전체적인 열교환 효율이 증대될 수 있다.

이러한 제2 열교환기(400)는 전술한 제1 열교환기(300)와 동일한 판형 열교환기로 구성되는 것이 바람직하다.

순환펌프(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 순환라인(100)에 설치되어 순환수를 펌핑하여 순환수를 순환시킨다.

이러한 순환펌프(110)는 미도시된 컨트롤러의 제어에 의해 작동하면서 펌핑압력의 제어를 통해 순환수의 유량을 제어한다.

열원라인(215)는 전술한 바와 같이 지열과 같은 열원을 열원부(210)로 공급하여 열매체와의 열교환을 통해 열매체를 증발시키거나 응축시킨다.

이러한 열원라인(215)은 도 2에 도시된 바와 같이 난방시 열원을 대항류 상태로 열매체와 열교환시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

열원보상부(500)는 제2 열교환기(400)에서 생성되는 중온수의 일부분을 열원라인(215)의 열원과 열교환시켜 열원의 온도를 예열 또는 예냉하면서 난방시 부하입구(100b)의 온도를 낮추는 구성요소이다.

즉, 열원보상부(500)는 난방시 열원라인(215)을 통해 열원부(210)로 공급되는 지열을 중온수로 열교환시킴으로써 열원의 온도를 상승시키고, 열원과의 열교환을 통해 냉각된 중온수를 순환라인(100)의 부하입구(100b)로 공급하여 입수측 순환수와 혼합시킴으로써 부하입구(100b)의 입수온도를 낮추는 역할을 한다.

이에 따라, 본 발명의 히트펌프 시스템은 순환수의 입수온도를 낮춤으로써 입수온도와 출수온도의 차가 큰 대온도차를 원활하게 구현할 수 있으며, 순환수의 입수온도가 낮아지면서 압력 또한 낮아지므로 순환펌프(110)의 원활한 작동을 도모할 수 있다.

이러한 열원보상부(500)는 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 중온수라인(510), 유량조절기(520) 및 제3 열교환기(530)를 포함하여 구성될 수 있다.

중온수라인(510)은 제2 열교환기(400)와 제1 열교환기(300)를 연결하는 순환수라인(100)에 연결된 상태로 순환수라인(100)의 부하입구측(100b)에 연결되어 중온수의 일부분을 재순환시키면서 전술한 열원라인(215)을 향해 연장형성된다.

이러한 중온수라인(510)은 도 2에 도시된 바와 같이 직수형태를 이루면서 순환루프를 형성할 수 있다.

그리고, 중온수라인(510)은 미도시된 축열탱크가 마련되어 축열탱크를 매개로 중온수를 순환시킬 수 있으며, 미도시된 배출밸브가 설치되어 중온수를 배출시킬 수도 있다.

여기서, 순환펌프(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 중온수라인(510)이 연결되는 부하입구(100b)의 후방측에 연결되면서 제2 열교환기(400)측으로 인접설치되는 것이 바람직하다.

또한, 중온수라인(510)은 미도시된 체크밸브가 설치되어 중온수의 역류를 방지하면서 순환시킬 수 있다.

유량조절기(520)는 중온수라인(510)을 관류하는 중온수의 유량을 제어하기 위한 구성요소이다.

이러한 유량조절기(520)는 미도시된 컨트롤러의 제어에 의해 작동하면서 설정온도나 운전조건에 따라 중온수라인(510)의 유량을 가변시키면서 순환수의 입수온도나 열원의 보상온도를 제어한다.

예컨대, 유량조절기(520)는 도 2에 도시된 바와 같이 중온수라인(510)에 설치되는 유량조절밸브(521)로 구성될 수 있다.

유량조절밸브(521)는 중온수라인(510)에 개폐가능하게 설치되어 컨트롤러의 제어에 따라 개도를 제어하면서 중온수의 유량을 조절한다.

이와 달리, 유량조절기(520)는 중온수라인(510)에 설치되는 미도시된 중온수순환펌프로 구성될 수도 있다.

중온수순환펌프는 중온수라인(510)에 설치된 상태로 중온수를 펌핑하면서 순환시키고, 컨트롤러의 제어에 따라 펌핑압력을 제어하면서 중온수의 유량을 조절한다.

여기서, 중온수순환펌프는 미도시된 체크밸브와 함께 설치되어 중온수의 역류를 방지할 수 있다.

한편, 순환펌프(110)는 유량조절기(520)가 중온수순환펌프로 구성될 경우에는 도시된 바와 달리 중온수라인(510)이 연결되는 부하입구(100b)의 전방, 즉 팬코일유닛측으로 설치되는 것이 바람직하다. 이는 중온수순환펌프(522)와의 간섭을 최소화시켜서 중온수의 정확한 유량제어를 도모하기 위함이다.

다른 한편, 유량조절기(520)는 전술한 유량조절밸브(521)와 중온수순환펌프가 모두 설치되면서 구성될 수도 있다.

제3 열교환기(530)는 도 2에 도시된 바와 같이 열원라인(215) 및 중온수라인(510)에 각각 연결되어 중온수와 열원을 열교환시키면서 열원의 온도를 예열 또는 예냉하는 구성요소이다.

즉, 제3 열교환기(530)는 난방시 중온수라인(510)에서 공급되는 중온수를 지열의 열원과 열교환시킴으로써 열원의 온도를 높이고, 중온수의 온도를 낮춘상태로 순환시켜 부하입구(100b)의 순환수와 혼합시킴으로써 입수온도를 낮춘다.

따라서, 제3 열교환기(530)는 동절기에 지열에 의한 열원의 온도를 상승시켜 열매체라인(200)에 의한 냉동사이클의 운전효율을 향상시키는 동시에, 부하측 입수온도를 낮춰서 대온도차 열교환을 도모하여 펌프의 동력을 절감시킨다.

이러한 제3 열교환기(530)는 예컨대, 복수의 전열판으로 이루어지는 판형 열교환기로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 열원보상부(500)는 도 3에 도시된 바와 같이 중온수회수라인(550) 및 회수유량조절기(560)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

중온수회수라인(550)은 도 3에 도시된 바와 같이 제3 열교환기를 배제한 상태로 중온수라인(510)을 소통시켜서 제3 열교환기(530)로 공급되기 이전의 중온수를 순환수라인(100)으로 다시 회수시킨다.

즉, 중온수회수라인(550)은 중온수라인(510)을 통해 제3 열교환기(530)로 공급되는 중온수를 열교환이전에 다시 순환수라인(100)의 부하입구(100b)로 바이패스시켜서 제2 열교환기(400)로 공급한다.

회수유량조절기(560)는 도 3에 도시된 바와 같이 중온수회수라인(550)에 설치되어 부하입구(100b)로 바이패스되는 중온수의 유량을 제어한다.

이러한 회수유량조절기(560)는 예컨대, 히트펌프의 초기구동시 부하측 입수온도를 상승시켜야 할 경우에 중온수외수라인(550)의 중온수를 제2 열교환기(400)로 순환시킨다.

이에 따라, 본 발명은 중온수가 제2 열교환기(400)에서 예열된 중온수가 중온수라인(510) 및 중온수회수라인(550)을 통해 제2 열교환기로 반복적으로 재순환하면서 부하입구측(100b)으로 회수된 순환수를 예열시켜 제1 열교환기(300)로 공급하므로 열교환효율이 향상될 수 있으며, 종래기술의 버퍼탱크와 같은 구성이 최소화되거나 생략된 상태에서도 고온의 난방수나 급탕수를 원활하게 공급할 수 있다.

그리고, 본 발명의 히트펌프 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 축열탱크(600) 및 추가순환펌프(610)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

축열탱크(600)는 제1 열교환기(300)에서 공급되는 난방수나 냉방수를 저장하면서 팬코일유닛(FCU)과 같은 사용처에 공급하고, 사용처에서 회수된 순환수를 순환라인(100)의 부하입구(100b)로 순환시킨다.

추가순환펌프(610)는 축열탱크(600)에 저장된 난방수 또는 냉방수를 사용처의 부하에 따라 펌핑하면서 순환시킨다.

상기와 같은 구성요소를 포함하는 본 발명에 따른 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템의 작동을 설명한다.

난방모드 시, 도 2를 참조하면, 열매체라인(200)은 컨트롤러의 제어에 따라 열매체를 열원부(210)에서 압축기(200) 방향으로 순환시킨다. 이때, 열매체는 열원부(210)를 통한 열원과의 열교환을 통해 증발되면서 가열된 후, 압축기(220)에 의해 압축된 상태로 제1 열교환기(300) 및 제2 열교환기(400)를 통한 순환수라인(100)과 대항류 상태의 열교환을 통해 응축되면서 응축열을 통해 순환수를 가열한다.

그리고, 순환수는 순환펌프(110)의 펌핑압력에 의해 제2 열교환기(400)에서 제1 열교환기(300) 방향으로 순환하면서, 제2 열교환기(400)에 의해 중온수로 예열된 후 제1 열교환기(300)에 의해 고온수로 가열되어 축열탱크(600)에 저장되거나 직수형태로 팬코일유닛(FCU)으로 공급되며, 실내에서 회수되어 다시 제2 열교환기(400)로 공급된다.

이때, 순환수는 초기구동 시 제2 열교환기(400)에서 열교환되어 중온수로 예열된 후, 유량조절기(520)를 구성하는 유량조절밸브(521)나 중온수순환펌프(522)에 의해 일부분이 중온수라인(510)으로 인출되고, 회수유량조절기(560)의 유량제어에 의해 중온수회수라인(550)을 통해 다시 부하입구측(100b)으로 공급되어 제2 열교환기(400)로 재순환하면서 순환수를 예열시킨다.

한편, 회수유량조절기(560)는 동절기에 지열의 온도가 현저히 낮을 경우 차폐되면서 중온수라인(510)의 중온수를 제3 열교환기(530)로 공급한다.

이에 따라, 중온수라인(510)의 중온수는 제3 열교환기(530)를 통해 열원라인(215)과 열교환되어 열원라인(215)의 열원온도를 상승시키면서 낮은 온도로 냉각되고, 부하입구(100b)로 회수된 순환수와 혼합되면서 입수온도를 낮춘다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템에 의하면, 제2 열교환기(400)에서 1차 열교환된 순환수의 일부분을 열원과 열교환시켜 열원의 온도를 예열함으로써 열효율을 향상시킬 수 있으며, 이와 동시에 열원과 열교환된 순환수를 다시 부하입구(100b)로 재공급하여 입수온도를 낮춤으로써 대온도차에 의한 운전효율을 향상시킬 수 있다.

특히, 본 발명은 전체적인 열량 및 COP는 거의 변화가 없으면서도 2번의 열교환 및 열원과의 열교환을 통해 출수 온도를 높일 수 있고, 입수온도를 낮춤으로써 펌프의 가동시간을 지속시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

100 : 순환수라인 100a : 부하출구측
100b : 부하입구측 110 : 순환펌프
200 : 열매체라인
210 : 열원부 220 : 압축기
230 : 팽창밸브 300 : 제1 열교환기
400 : 제2 열교환기
500 : 열원보상부
510 : 중온수라인 520 : 유량조절기
521 : 유량조절밸브 522 : 중온수순환펌프
530 : 제3 열교환기 550 : 중온수회수라인
560 : 회수유량조절기
600 : 축열탱크 610 : 추가순환펌프

Claims (4)

1. 난방 또는 냉방을 위한 순환수를 열매체와 열교환시켜서 순환수를 가열하거나 냉각하는 히트펌프 시스템으로서,
   사용처에서 냉난방에 사용된 순환수를 부하입구로 유입하여 열매체와 열교환시키고, 열교환된 순환수를 부하출구로 배출하면서 순환수를 순환시키는 순환수라인;
   상기 열매체를 난방이나 냉방에 따라 서로 다른 방향으로 순환시키면서 냉동사이클을 이루는 열매체라인;
   상기 열매체라인의 일부분을 이루면서 열매체를 열원과 열교환시켜서 가열하거나 냉각하는 열원부;
   상기 열매체라인 및 상기 순환수라인에 연결되어 난방시 상기 열원부에서 공급되는 고온의 열매체를 상기 순환수라인의 순환수와 대항류상태로 열교환시키면서 난방수를 상기 순환수라인의 부하출구측으로 공급하고, 냉방시 상기 열원부에서 공급되는 저온의 열매체를 상기 순환수라인의 순환수와 평행류상태로 열교환시키면서 냉방수를 상기 순환수라인의 부하출구측으로 공급하는 제1 열교환기;
   상기 제1 열교환기에 연결되어 열매체를 상기 순환수라인의 부하입구측에서 유입되는 순환수와 열교환시켜 순환수를 예열이나 예냉시키면서 예열/예냉된 중온수를 상기 제1 열교환기로 공급하는 제2 열교환기;
   상기 순환수라인에 설치되어 순환수를 펌핑하여 순환시키면서 순환수의 유량을 제어하는 순환펌프;
   상기 열원부로 열원을 공급하고, 상기 열원부에서 열교환이 완료된 열원을 회수하면서 순환시키는 열원라인; 및
   상기 제2 열교환기에서 배출되는 중온수의 적어도 일부분을 상기 순환수라인에서 인출시켜 상기 순환수라인의 부하입구측으로 재순환시키고, 재순환하는 중온수를 상기 열원부로 공급되는 열원과 열교환시켜서 상기 열원라인의 열원온도를 보상하는 열원보상부;를 포함하고,
   상기 열원보상부는,
   상기 제2 열교환기와 상기 제1 열교환기를 연결하는 상기 순환수라인에 일단부가 결합된 상태로 상기 열원라인을 향해 연장되고, 상기 순환수라인의 부하입구에 타단부가 연결되어 순환루프를 이루는 중온수라인;
   상기 중온수라인을 통해 상기 순환수라인의 부하입구로 재순환하는 중온수의 유량을 제어하는 유량조절기; 및
   상기 중온수라인 및 상기 열원라인에 연결되고, 상기 열원부로 공급되기 이전의 열원을 상기 중온수라인의 중온수와 대항류상태로 열교환시키면서 열원의 온도를 보상하는 제3 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유량조절기는,
   상기 중온수라인에 개폐가능하게 설치되어 상기 중온수라인의 개도를 제어하면서 중온수의 유량을 조절하는 유량조절밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 열원보상부는,
   상기 제3 열교환기를 배제한 상태로 상기 중온수라인을 소통시키면서 중온수를 상기 순환수라인의 부하입구로 바이패스시키는 중온수회수라인; 및
   상기 중온수회수라인에 설치되어 상기 순환수라인으로 회수되는 중온수의 유량을 제어하는 회수유량조절기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 히트펌프 시스템은,
   상기 순환수라인의 부하출구측에 연결되어 상기 제1 열교환기에서 배출되는 난방수 또는 냉방수를 저장하고, 상기 순환수라인의 부하입구측과 연결되는 축열탱크; 및
   상기 축열탱크에 저장된 난방수 또는 냉방수를 사용처로 순환시키는 추가순환펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열원 예열형 대온도차 히트펌프 시스템.
   

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